铸钢材料热处理工艺分析
摘要；在模具制造过程中，经常会有模具的性能达不到使用要求的情况，为了满足使用要求，最常用的办法就是对其进行热处理，以期在硬度、润滑度等方面达到预期效果。模具材质主要分为铸铁、铸钢、锻造三种，每种材质的热处理工艺都有所不同，本文主要阐述的是铸钢件的热处理工艺。
关键词；模具 热处理 材质 硬度
为了改变铸钢件的使用性能（通常是提高铸钢件的硬度、耐磨度及润滑度），通常采用两种办法来解决：一种是调整材料钢的化学成分，特别是加入某些合金元素，即采用合金化的方法，来使钢材达到使用性能的要求。例如C、Mo、Cr等；另一种办法就是本文讨论的对钢材进行热处理。因为钢的性能不仅取决于它的化学成分，还取决于钢的内部组织结构（金相组织）。而热处理正是影响钢的组织的一种工艺。对钢材进行正确地热处理，能使钢材的性能满足使用需求。
热处理，就是通过加热、保温、冷却的操作方法，来改变钢的内部组织，以获得预期的性能（如提高钢的强度、硬度等）的一种工艺。不同的热处理方式，是通过调整加热、保温、冷却的温度及时间得到的。钢材的热处理方式可分为整体热处理及表面热处理两种。
1．表面热处理
表面热处理方法是通过对钢材表面的处理提高工件表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性或其他特殊性能，而工件的心部仍能保持较高的塑性和韧性的方法。它可分为表面淬火及表面化学处理两种。
1．1．表面淬火
表面淬火的原理与整体热处理的基本原理相同，都是通过把工件加热至奥氏体，随即快速冷却，使其转变为马氏体，然后进行低温回火的处理。不同的是整体热处理是将工件整体加热，而表面热处理只将工件的表面加热、冷却，其心部不做处理，保留原来材料的性能。
1.2．表面化学处理
表面化学处理是把工件置于化学活性介质中，加热到一定温度，使钢的表面层被某种元素渗入的处理方法。常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等方法。
1.2.1．渗碳处理
渗碳处理是为增加表层的碳含量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。
在模具制造过程中，可以使用渗碳处理方法，使心部保留低碳钢淬火后良好的塑性、韧性的特征的同时，工件表面具有普通高碳钢淬火后的高硬度、高耐磨的性能特征。由于设计思想合理，即让钢材表层接受各类负荷最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳轻度及耐腐蚀性，而不必通过昂贵的合金化活其他复杂工艺手段对整个材料进行处理。随着渗碳处理工艺的逐渐完善，这种处理方法正在逐步被更多企业采用。渗碳处理过程中，不同的工艺处理后的工件性能会有较大程度上的差别，例如直接淬火低温回火处理过的工件，其变形较大，表面参与奥氏体较多，硬度较低，而经过预冷直接淬火、低温回火后的工件，变形较小，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高。但由于增加了预冷，热处理过程较之直接淬火复杂，变量增加后的结果就是不确定因素的增多，提高了工艺操作的难度和成本。因而在实际应用渗碳处理时，需根据实际情况选择合适的处理工艺，使工件在经过处理后能够达到使用要求，又不必产生人力、时间以及资源的浪费。
1.2.2．渗氮处理
渗氮是向钢的表面渗入氮原子的过程。其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和耐蚀性。氮和碳一样可固溶于铁，形成间隙式的固溶体。渗入钢表面的氮与铬、铝、钒、钛等元素可化合成极稳定的氮化物，成为表而硬化和强化元素。氮使高铬和高铬镍钢的组织致密坚实。钢中残留氮量过高会导致宏观组织疏松或气孔。
目前工业中应用最广泛的是气体渗氮法，它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成渗氮层，同时向心部扩散。氨的分解反应如下：
2NH3 —— 3H2+2[N]
为了保证渗氮工件心部具有良好的综合力学性能，在渗氮前有必要将工件进行调质处理。钢在渗氮后，无需进行淬火便具有很高的表层硬度（≥550HV~900HV）及耐磨性，这是因为渗氮层形成了一层坚硬的氮化物所致。在强度和硬度提高的同时，钢的韧性下降，缺口敏感性增加。且渗氮层具有高的热硬性（即在600~650℃仍有较高硬度）。渗氮往往是工件加工工艺路线中最后一道工序，渗氮后的工件至多再进行精磨或研磨，余量在直径方向上不应超过0.10~0.15mm。否则会磨掉渗氮层而使硬度大大下降。
渗氮处理能够延缓疲劳破坏过程、提高工件的耐蚀力、并且工件变形小。但渗氮处理的周期长，生产率低。
2.整体热处理
整体热处理的最基本类型可根据加热和冷却方法不同分为退火，正火、淬火和回火。
2.1．退火
退火是一般是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后缓慢冷却，目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，获得接近平衡的珠光体组织，或得到预期的物理性能。
退火工艺随目的之不同而有多种，如完全退火、球化退火、去应力退火等几种。
2.1.1．完全退火。将钢加热到预定温度，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却称为完全退火．目的是降低钢的硬度，消除钢中不均匀组织和内应力．
2.1.2．球化退火。把钢加热到７５０度，保温一段时间，缓慢冷却至５００度下，最后在空气中冷却叫球化退火．目的是降低钢的硬度，改善切削性能，主要用于高碳钢．
2.1.3．去应力退火.去应力退火又叫低温退火，把钢加热到５００～６００度，保温一段时间，随炉缓冷到３００度以下，再室温冷却．退火过程中组织不发生变化，主要消除金属的内应力．
2.2．正火
为了细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。
正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。
退火和正火用于毛坯的预先热处理，可以消除或改善毛坯料的各种组织缺陷；获得最有利于切削加工的组织与硬度；改善组织中相的形态与分布,细化晶粒, 消除或降低内应力为最终热处理(淬火回火)作好组织上准备。退火和正火经常作为预先热处理工序外，在一些普通铸钢件、焊接件、以及某些不重要的热加工工件上，还作为最终热处理工序，以改善组织，稳定尺寸。在生产上对退火和正火工艺的选用，应根据钢种、前后连接的冷、热加工工艺、以及最终零件使用条件等来进行。根据钢中含碳量不同，一般按如下原则选用：
2.2.1．低碳钢（≤0.25%C）。这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。通过正火使组织均匀，硬度适当提高而易于切削。例如对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。
2.2.2．中碳钢（0.25%~0.55%C）。这类钢一般采用正火，其中含碳量0.25%~0.35%的钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。对含碳量较高的钢，硬度虽稍高（200HBS），但由于正火生产率高，成本低，操作简便，仍采用正火，只有对合金元素含量较高的钢，因正火后硬度过高，使切削加工困难，才采用完全退火。
2.2.3．高碳钢（＞0.55%C）。这类钢一般采用退火最为适宜，因为含碳量较高，正火后硬度太高，不利于切削加工，而退火后的硬度正好适宜于切削加工。此外，这类钢多在淬火、回火状态下使用，因此一般工序安排是以退火降低硬度，然后进行切削加工，最终进行淬火、回火。
2.2.4.当钢中含有较多合金元素时，上述原则就不适用（由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线），例如低碳合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变，即使在极缓慢的冷却速度下退火，也不可能得到珠光体类型组织。一般需用高温回火来降低硬度，以便切削加工。
2.3．淬火
将钢件加热到临界点以上某一温度（45号钢淬火温度为840-860℃,碳素工具钢的淬火温度为760～780℃）,保持一定的时间，然后以适当速度在水（油）中冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快，目的是为了获得马氏体组织。马氏体组织是钢经淬火后获得的不平衡组织，它的硬度高，但塑性、韧性差。马氏体的硬度随钢的含碳量提高而增高。
2.4．回火
钢件淬硬后，再加热到临界温度以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火可以显著提高钢的强度和硬度，但也会导致钢材变脆，直接使用常发生脆断。一般淬火后会辅助回火以消除或减少内应力内应力、降低脆性，提高韧性；另一方面可以调整淬火钢的力学性能，达到钢的使用性能。根据回火温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。
2.4.1．低温回火１５０～２５０．降低内应力，脆性，保持淬火后的高硬度和耐磨性．
2.4.2．中温回火３５０～５００；提高弹性，强度．
2.4.3．高温回火５００～６５０；淬火钢件在高于500℃的回火称为高温回火。
淬火钢件经高温淬火后，具有良好综合力学性能（既有一定的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性）。所以一般中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理。淬火+高温回火称为调质处理。
热处理技术展望
热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中已被广泛应用。钢经过正确的热处理，可提高使用性能，改善工艺性能，达到充分发挥材料性能潜力。这对提高产品质量，延长使用寿命，提高经济效益有重要意义。
我国热处理在工艺水平和处理的产品质量及寿命方面与国际上的先进国家相比，还有着较大的差距。主要原因在于设备较落后，检测手段简陋，工艺管理薄弱。但由于今年来我国工业实力的崛起，在热处理方面已经从技术引进逐步转变为技术改造和技术创新。目前，可控气氛热处理、真空热处理、感应热处理和表面改性等少无氧化技术成为发展主流；清洁、节能和环保型热处理技术成为可持续发展的热点；先进的热处理制造技术正在走向定量化、智能化和精确控制的新水平。热处理技术的完善加上计算机和IT技术、新材料的研究开发我国热处理质量水平已有了明显提高。
参考资料
1. Optimizing heat treatment for a duplex stainless steel.TRANSATIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT Vol.26 No.6
2. Empirical Formulas of Mechanical Properties of Steels and Heat Treatment Processing.Huang Chunfeng.